Stabiele isotopen en foraminiferen biofacies-analyse van Midden Eocene tot Boven Oligocene secties in Noord België. Een middel bij stratigrafie en bij reconstructies van de Oligocene extreme klimaten.
|
Tijdens het Paleogeen (65 tot 23 Miljoen jaar geleden) vinden er een aantal
klimaatsveranderingen plaats die qua oorsprong en omvang uniek blijken te zijn
in de recente geschiedenis van de Aarde. Vanaf het Vroeg Eoceen, één van de
warmste periodes op Aarde, koelde het klimaat geleidelijk aan af tot minimum
waarden.
De zogenaamde Oi-1 afkoelingsfase luidde hierbij de overgang in van de
Eocene broeikasperiode naar de Oligocene ijstijdperiode. Naast deze
graduele afkoelingstrend vonden er bovendien verschillende abrupte,
kortstondige klimaatsveranderingen plaats (< 500 000 jaar). Hoewel deze
wereldwijd duidelijk herkend worden, zijn de mechanismen die deze snelle
klimaatsveranderingen veroorzaken tot op vandaag niet goed gekend (Bohaty en
Zachos,
2003). De overgang van een broeikas- naar een ijstijdregime, met zowel
kortstondige als graduele klimaatsveranderingen, zoals het zich tijdens
het Paleogeen voordeed, is één van de sleutels voor het
ontcijferen van globale processen van klimaatsopwarming en -afkoeling.
Wetenschappelijk onderzoek op dit gebied heeft
zich vooral toegespitst op diepzee- (Zachos et al., 2001; Lear et al., 2004) en
continentale milieus (Wing et al., 2000; Bowen et al., 2005), en genereerde
voornamelijk gemiddelde jaarlijkse waarden voor temperatuur, productiviteit,
neerslag,
enz. Het zuidelijke Noordzeebekken herbergt goed bewaarde ondiep
mariene afzettingen van Paleogene ouderdom en laat ons bijgevolg toe de
relatie te bestuderen tussen diepzee en continentale
klimaatsveranderingen. Bovendien fungeren ze als een
natuurlijk laboratorium voor het nagaan van de koppeling tussen stratigrafie,
eustatische zeespiegelschommelingen en klimaatsveranderingen. In deze studie
worden benthische foraminiferen aangewend voor stratigrafie en paleomilieu
studies, om zo te komen tot een geïntegreerd sequentie stratigrafisch model.
Benthische foraminiferen zijn bovendien uiterst geschikt voor geochemische
studies:
in deze thesis wordt de eerste hoge resolutie zuurstofisotopencurve
voorgesteld voor het zuidelijke Noordzeebekken, gaande van het Midden
Eoceen tot Boven Oligoceen.
Hoewel regionale biostratigrafie hoge resolutie toelaat binnen het Cenozoisch
Noordzeebekken blijft de ijking aan de internationale tijdsschaal
problematisch. Dit is onder meer te wijten aan de vrij afgesloten configuratie
van dit marginaal mariene bekken, de afwezigheid van tijdsindicatief kalkige
microfossielen en een zwak paleomagnetisch signaal. Het begrijpen van de
stratigrafische context van het Noordzeebekken is noodzakelijk, gezien het
verschillende historische stratotype secties herbergt die van belang zijn in
aanhoudende discussies binnen de internationale stratigrafische gemeenschap.
Deze studie draagt hiertoe bij via de constructie van een regionaal benthisch
foraminiferen zonatie schema. Dit wordt vervolgens aan de internationale
tijdsschaal
gekoppeld via biostratigrafie op dinoflagellaten en nannoplankton,
cyclostratigrafie, en geochemische dateringstechnieken zoals
Sr-isotopen stratigrafie en K-Ar datering. Het bovenste deel van het
Rupeliaan stratotype wordt in het bijzonder belicht omwille van de
huidige discussies rond de Rupeliaan/Chattian grens, waarvoor in de
nabije toekomst een internationaal referentiepunt (GSSP) zal
geratificeerd worden.
Twaalf benthische foraminiferen biozones
worden nieuw gedefinieerd (OO tot OIX), gaande van het onderste tot het
boven Oligoceen. Sommige soorten, zoals
Cassidulina carapitana, Hoeglundina elegans, Turrilina alsatica, Rotaliatina bulimoides,Cibicidoides ungerianus, Rolfina arnei en Asterigerinoides guerichi,
spelen een belangrijke rol voor regionale correlatie, aangezien zij
synchroon voorkomen binnen het hele Noordzeebekken. Koppeling aan de
internationale magnetobiochronologische
tijdsschaal wordt bewerkstelligd via dinoflagellaten en kalkig nannoplankton
die
meestal op dezelfde stalen bestudeerd werden. Deze studie bevestigt
eerdere bevindingen dat de positie van de Eoceen/Oligoceen GSSP
samenvalt met de basis van het Bassevelde 3 sub-lid. Benthische
foraminiferen vertonen echter geen duidelijke veranderingen rond dit
niveau en de grootste kentering in fauna en flora vindt hogerop plaats,
tussen de Watervliet Klei en de Ruisbroek Zanden. Dit niveau wordt
geïnterpreteerd als de sequentiegrens tussen de NS-Ru1/NS-Ru2
sequenties en kan gecorreleerd worden met de ‘Grande Coupure’ dat op
zijn beurt geassocieerd is met de disconformiteit tussen de meer
proximale Sint-Huibrechts Hern en Borgloon Formaties. Binnenin het Lid
van Ruisbroek zijn er verschillende benthische foraminiferen die voor
het eerst verschijnen, zoals Hoeglundina elegans en Turrilina alsatica, en iets
hogerop,
het marker species Cassidulina carapitana. De enorme toename van
Asterigerinoides guerichi laat de identificatie en correlatie toe van
de basis Chattiaan afzettingen over het Noordzeebekken. De
belangrijkste dinoflagellaten gebeurtenissen geassocieerd met de
Rupeliaan-Chattiaan transitie in het Noordzeebekken zijn het eerste
voorkomen van Artemisiocysta cladodichotoma en het voorkomen van het Arctisch taxon Svalbardella spp.,
net erboven. Dit laatste suggereert een link tussen het hiaat
geregistreerd tussen de Rupeliaan en Chattiaan historische stratotype
secties, een globale zeespiegeldaling en een periode van intense
afkoeling (Van Simaeys
et al., 2005a). De extinctie van het
planktonisch foraminifera taxon Chiloguembelina spp. in het zuidelijke
Noordzeebekken vindt plaats in het Onder Rupeliaan (niveau S10 in de
Boom Formatie). Hieruit blijkt dat dit event niet kan gebruikt worden
als criterium voor het herkennen van de Rupeliaan/Chattiaan grens in de
international zonatie schema’s.
Voor de Lutetiaan afzettingen van de Lede en Maldegem Formatie steunt de kalibratie
met de internationale tijdsschaal vooral op kalkig nannoplankton (Steurbaut,
1986, 1992; Vandenberghe et al., 2003; Steurbaut, 2006); voor de Bartoniaan
afzettingen van de Barton en Becton Formties van het Hampshire Bekken vooral op
dinoflagellaten (Bujak et al., 1980; De Coninck, 1995). Aangezien de tropische
bio-marker taxa die in de internationale tijdsschaal gebruikt worden nog steeds
aanwezig zijn in het Noordzeebekken tijdens het warme Eoceen, biedt
biostratigrafische correlatie consistente ankerpunten.
Tijdens het Oligoceen wordt correlatie van het Noordzeebekken met de internationale
tijdsschaal echter belemmerd door de meer afgesloten configuratie van het
bekken en door temperatuursbarrières die globale verspreiding van tropische
taxa limiteren tijdens deze ijstijdperiode. Daarom wordt de gekalibreerde
ouderdom van kalkig nannoplankton en dinoflagellaten in deze studie aangevuld
door onalfhankelijke dateringstechnieken zoals radiometrische K-Ar datering,
strontium isotopen stratigrafie en cyclostratigrafie.
87Sr/86Sr verhoudingen, gegenereerd voor negen Rupeliaan of
Chattiaan horizonten, leveren een unieke nummerische ouderdom die slechts een
beetje ouder is dan de ouderdom gegenereerd via biostratigrafische correlaties.
Radiometrische K-Ar datering op glauconieten is conform met een ouderdom van 27.0
(± 0.3) Ma voor de basis van het Chattiaan. Deze ouderdom is statistisch
identiek aan de ouderdom gegenereerd via Sr-isotopen stratigrafie en
micropaleontologie.
Astronomische tuning van de vroeg Oligocene Boom Klei
afzettingen ondersteunt correlatie van de klei/silt coupletten met 41kyr
obliquiteitscycli
en toont aan dat hierop ook nog een ~100- and 405-kyr
excentriceitssignaal gesuperponeerd is. Bijgevolg is het mogelijk om de
tijdsspanne te bepalen die verstreken is tijdens de afzetting van het
Rupeliaan historisch stratotype
sectie en zo een ‘zwevende’ tijdsschaal te construeren. Deze relatieve
tijdsschaal werd vervolgens aan de internationale geochronologische tijdsschaal
gekoppeld via ouderdommen bekomen uit geëxtrapoleerde bio-events en uit
strontium isotopen stratigrafie. Deze voorlopige astronomische tuning (Abels et
al., in press) kan echter nog op- of neerwaarts geschoven worden over één of
twee 405-kyr excentriciteitcycli.
Via
verschillende dateringstechnieken wordt in deze studie aangetoond dat
de basis van de Chattiaan Etage veel jonger is dan tot nu toe
aangenomen wordt in de internationale tijdsschaal. De allereerste laat
Oligocene sedimenten die werden afgezet tijdens de Chattian
transgressie in het Noordzeebekken hebben bijgevolg een ouderdom van
27.3 tot 27.0Ma.
Paleomilieu reconstructies van de Eo-Oligocene afzettingen uit het
zuidelijke Noordzeebekken worden verkregen door middel van benthische
foraminiferen biofacies-analyse en stabiele isotopen data uit
benthische foraminiferen, nuculid-bivalven en visotolieten. Deze studie
levert dus de onontbeerlijke link tussen paleomilieu reconstructies
steunend op kwalitatieve paleontologische data en kwantitatieve data
afgeleid van d18O waarden.
Benthische foraminferen biofacies worden
gekarakteriseerd door een welbepaalde set aan foraminiferen indices
(planktonisch/benthisch ratio, a-diversiteitsindex,
absolute abundantie etc.) en door een specifieke combinatie van individuele
taxa die informatie verschaffen over de afzettingsomstandigheden binnen de
fossiele omgeving. Voor de Eo-Oligocene Noordzeebekken assemblages, bestaat de
diep water eco-groep voornamelijk uit bvb. Eggerella spp., Globocassidulina subglobosa, Ehrenbergina spp., Pyrgo bulloides en Hoeglundina elegans, terwijl
ondiep-water taxa vertegenwoordigd worden door bvb. Protelphidium spp.,Elphidiella spp., Asterigerinoides spp. en Quinqueloculina spp. Veranderingen
in de relatieve abundantie van deze eco-groepen weerspiegelt bijgevolg
veranderingen in de afzettingsdiepte. Het kwantificeren van zeespiegelschommelingen
door gebruik te maken van de dieptedistributie in modern benthische
foraminiferen leidt echter tot anomaal diepe reconstructies voor het
Noordzeebekken. Een alternatieve benadering voor het berekenen van
afzettingsdiepte wordt geleverd door zuurstofisotopen. Deze laten een minimum
schatting toe van de absolute (eustatische) zeespiegelschommelingen tijdens het
Oligoceen,
door de amplitude te vergelijken van d18O variaties tussen de
verschillende afzettingssequenties, mits een constant ijsvolume effect
te veronderstellen. Integratie van deze verschillende parameters leidt
tot een robuuste paleobathymetrische reconstructie voor het boven
Eoceen en Oligoceen van de Noordzeeafzettingen.
De belangrijkste
zeespiegeldaling wordt geregistreerd tussen de NS-Ru1 en de NS-Ru2
sequentie, bij de basis van het Lid van Ruisbroek, met een minimum
daling van ~23m. Tijdens het Rupeliaan doen er zich verschillende fases
voor van hogere
zeespiegelstand, nabij niveau S10 en de roze band (‘R’). Nadien wordt het
milieu ondieper, nabij de dubbel band (‘DB’). In het bovenste deel van het
Rupeliaan leidt een graduele verondieping tot een meer geïsoleerd marien
milieu. Een hernieuwde opening van een mariene zeearm en de installatie van
normaal mariene condities vindt plaats boven niveau S190 (basis NS-Ru4 sequentie).
Sterk verhoogde herwerking van gesilicifieerde boven Krijt foraminiferen in het
bovenste deel van de sectie suggereert een tektonische puls die het hele
Noordzeebekken beïnvloed. De Rupeliaan-Chattiaan transitie in het zuidelijke
Noordzeebekken is gekarakteriseerd door een duidelijke verlaging in paleobathymetrie
(minimum ~14 m). De zeespiegel stijgt vervolgens weer tijdens de afzetting van
de Voort Formatie, waarvoor een waterdiepte afgeleid wordt van 10 tot 30m.
Gemiddelde
temperatuursveranderingen worden bepaald door temperatuursgevoelige
benthische foraminiferen en door d18O-data verkregen uit biogeen
carbonaat. De hoge resolutie zuurstofisotopencurve geconstrueerd voor
het Midden Eoceen tot Boven Oligoceen voor het zuidelijke
Noordzeebekken is in overeenstemming met de globale
zuurstofisotopencurve voor diepzee secties. Temperaturen evolueren
gradueel van zeer warm in het Midden Eoceen (~23°C) tot veel kouder in
het Oligoceen (~12°C). De afkoeling van het klimaat wordt versterkt
vanaf het Priaboniaan, met een duidelijke stapsgewijze daling in
gemiddelde bodemwatertemperaturen na de eerste Oligocene sequentie
(NS-Ru1). Deze trend wordt eveneens waargenomen in de
temperatuursgevoelige benthische foraminiferen: een eerste afkoeling
wordt waargenomen nabij de top van het Bassevelde 1 sub-lid, een tweede
binnenin het Lid van Watervliet en een derde zeer duidelijke
temperatuursdaling is geassocieerd met de basis van het Lid van
Ruisbroek. De eerste temperatuursdaling komt overeen met een korte
afkoelingsfase geregistreerd in de Zuidelijke Atlantische Oceaan en
Italiaanse
secties rond ~35.5 Ma (Vonhof et al., 2000). Mogelijk veroorzaakt deze
afkoeling een zeespiegeldaling die een sequentiegrens induceert tussen het Bassevelde
1 en Bassevelde 2 sublid (NS-Pr1 en NS-Pr2 sequenties). De toename in
gemiddelde
d18O-waarden tussen het Lid van Watervliet en Ruisbroek (~1.35‰
amplitude tussen NS-Ru1 and NS-Ru2 sequenties) wordt toegeschreven aan
de Oi-1 ijstijd, die gedateerd is op 33.5 tot 33.05 Ma en gepaard gaat
met een snelle expansie van continentale ijskappen en afkoeling van
vroeg Oligocene bodemwateren (Zachos et al., 1996).
Gelijktijdig met deze snelle daling in gemiddelde jaartemperaturen, vindt er ook een
dramatische verschuiving plaats in seizoensregime. Zomer- en wintertemperaturen
konden
afgeleid worden via d18O-data uit bemonstering van groeiringen in
visotolieten. De seizoenaliteit (= zomer – wintertemperatuur) evolueert
van >8°C tijdens het Eoceen en vroegste Oligoceen tot <
4°C in het overige deel van het Oligoceen. De afname in seizoenaliteit
rond het Eoceen-Oligoceen grensinterval lijkt tegenstrijdig met de
bevindingen in de Gulf Coastal Plain, waar een toename van ~4°C
waargenomen wordt. Een mogelijke verklaring voor deze discrepantie in
Oligocene klimaatsregimes ligt
in de constitutie van de Proto-Golfstroom in die periode. Expansie van polaire
ijskappen tijdens het Eoceen-Oligoceen grensinterval verstoort het oostwaarts
pad van de warme Proto-Golfstroom; met koudere zomers in de Noordzee tot
gevolg. De Gulf Coast blijft binnen het bereik van de warme zeestroming en
behoud bijgevolg gelijkaardige zomertemperaturen in het Eoceen en het
Oligoceen.
De onder Rupeliaan Boom Formatie wordt gekenmerkt door koud gematigde condities,
met glacialen en interglacialen die elkaar aan een hoge frequentie afwisselen. Hoewel
er geen relatie kon vastgesteld worden tussen de obliquiteit-gecontroleerde
afwisseling in klei/silt niveaus en de variatie in d18O-waarden,
werden
prominente glaciale episodes – met lokale d18O maxima – waargenomen op
de plaats waar 100 kyr en 400 kyr excentriciteitmaxima in fase zijn;
meer bepaald rond 31.7, 31.5 en 30.55 Ma (horizont 11, 16 en S50).
Nabij
de basis van de Chattiaan Voort Formatie suggereren zeer positieve d18O
waarden (~1.4‰) een mogelijke correlatie met de Oi-2b
ijstijdperiode geregistreerd in diep zee omgevingen (Wade and Pälike, 2004). Dit
bevestigt
eerdere suggesties door Van Simaeys et al. (2005a) dat de
Rupeliaan-Chattiaan disconformiteit in het Noordzeebekken genetisch
gerelateerd is aan een ijstijdperiode: deze induceert een zeespiegel
laagstand, met een hiaat van ~500 kyr tussen de Rupeliaan en Chattiaan
Etages tot gevolg (Van Simaeys, 2004a; Van Simaeys et al., 2005a).
Aan de basis van de Voort Formatie suggereerde een
dramatische toename in warm water taxa (90%) dat de vroeg Chattian transgressie
geassocieerd is met een wijdverspreide opwarmingsfase. Dit leidde tot de idee
dat
deze transgressie gerelateerd was aan de negatieve d18O-waarden
geregistreerd in de globale zuurstofisotopencurve, genaamd ‘Late
Oligocene Warming Event’
(Zachos et al., 2001). Paleotemperaturen
berekend via d18O-analyses op benthische foraminiferen en visotolieten
tonen echter veel lagere temperaturen aan, van 9 tot 10°C voor de basis
Chattiaan sedimenten. Het opmerkelijke verschil tussen de twee proxies
blijft intrigerend en is niet erg goed begrepen. Verminderde saliniteit
geassocieerd met de Chattiaan transgressie kan anomale zuurstofisotopenwaarden
induceren. Tot op heden is er echter geen bewijs om deze verklaring te
ondersteunen of te verwerpen.
Integratie van stratigrafische en paleomilieu data leidt tot het opstellen van een
sequentie stratigrafisch kader. Zeven Oligocene sequenties worden nieuw
gedefinieerd of geherdefinieerd voor het zuidelijke Noordzeebekken, waarbij
elke sequentie geformaliseerd wordt door adequate informatie over
ouderdomsbepaling, afzettingmilieu en isotopenkarakteristieken. Deze sequenties
worden vervolgens gecorreleerd met de globale eustatische zeespiegelcurve van
Haq et al. (1987) en met de globale zuurstofisotopencurve voor diepzee afzettingen.
Dankzij de verbeterde stratigrafische kalibratie van de zuidelijke Noordzeebekken
afzettingen kon er een causale link gelegd worden tussen de Rupeliaan-Chattiaan
disconformiteit en de opvallende zuurstofisotopenpiek Oi2b (Van Simaeys et al.,
2005a). Dit impliceert dat de derde orde sequentiegrens TA4.5/TB1.1 tussen de
Rupeliaan en Chattiaan Etages gecorreleerd kan worden met deze Oi2b globale
afkoelingsfase.
Als conclusie kunnen we stellen dat de Eo-Oligocene afzettingen van het ondiep mariene
Noordzeebekken een uniek kader vormen die toelaten de causaliteit tussen
stratigrafie en klimaatsveranderingen te achterhalen en beter te begrijpen. De
integratie van beide studiegebieden leidt tot een model voor glacio-eustatische
zeespiegelveranderingen, waardoor correlaties tussen verschillende bekkens mogelijk
worden. Een bijkomende troef van de glacio-eustatische zeespiegelveranderigen is
het voorspellend karakter wat toelaat doelgericht naar sequentie grenzen te
zoeken.
|
| |
Project nummer:
3E060245
Duur van het project:
01.10.2002 - 17.11.2006
Onderzoek met eigen middelen
English
|
